2011年超声波测距毕设

引言

由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为距离测量的理想手段。

采用超声波测量大气中的地面距离，是近代电子技术发展才获得正式应用的技术，由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，在较恶劣的环境(如含粉尘)具有一定的适应能力。因此，用途极度广泛。例如:测绘地形图，建造房屋、桥梁、道路、开挖矿山、油井等，利用超声波测量地面距离的方法，是利用光电技术实现的，超声测距仪的优点是:仪器造价比光波测距仪低，省力、操作方便。

超声测距仪在先进的机器人技术上也有应用，把超声波源安装在机器人身上，由它不断向周围发射超声波并且同时接收由障碍物反射回波来确定机器人的自身位置，用它作为传感器控制机器人的电脑等等。由于超声波易于定向发射，方向性好，强度好控制，它的应用价值己被普遍重视。

总之，由以上分析可看出:利用超声波测距，在许多方面有很多优势。因此，本课题的研究是非常有实用和商业价值。

第一章超声波测距原理

1.1 超声波发生器

为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。

1.2 压电式超声波发生器原理

压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图1-1所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。

图1-1 超声波传感器内部结构

1.3 超声波测距原理

超声波发生器内部结构有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到

超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，就成为超声波接收器。在超声探测电路中，发射端得到输出脉冲为一系列方波，其宽度为发射超声的时间间隔，被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲个数与被测距离成正比。超声测距大致有以下方法：①取输出脉冲的平均值电压，该电压 (其幅值基本固定 )与距离成正比，测量电压即可测得距离；②测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔 t，故被测距离为 S= vt／2，测距原理如图1-2所示。本测量电路采用第二种方案。由于超声波的声速与温度有关，如果温度变化不大，则可认为声速基本不变。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。超声波测距适用于高精度的中长距离测量。因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0M 晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。

图1-2 超声波测距原理图

假定s为被测物体到测距仪之间的距离，测得的时间为t（s），超声波传播速度为v（m/s）表示，则有关系式(1-1)：

s=vt／2 (1-1)

在精度要求较高的情况下，需要考虑温度对超声波传播速度的影响，按式(1-2)对超声波传播速度加以修正，以减小误差。

v=331．4+0．607T (1-2)

(1-2)式中，T为实际温度单位为℃，v为超声波在介质中的传播速度单位为m／s。一些温度下的声速参见表1-1。

表1-1 不同温度下的声速

第二章单片机STC89C52RC

2.1 单片机简介

本设计中选用的宏晶科技的STC89C52RC型单片机是一种低功耗、高性能、采用CMOS工艺的8位微处理器，与工业标准型80C51单片机的指令系统和引脚完全兼容。片内8K Flash存储器可在线重新编程，或使用通用的非易失性存储器编程器。由于一般的距离测量中，距离的变化速度并不太快，而且单片机的机器周期可达μs级，则其计时精度为μs级，完全可以满足系统测量的要求，并且成本较低，所以本设计中选用STC89C52型号的单片机。

STC89C52RC单片机,基于8051内核,是新一代增强型单片机,指令代码完全兼容传统8051,速度快8～12倍,带ADC,4路PWM,双串口,有全球唯一ID号,加密性好，抗干扰强。 RAM（MOV访问）：256B，XRAM（MOVX访问）：256B，ROM：8KB。

2.2 单片机引脚功能

如图2-1所示为各引脚名称，下面将一一说明。

图2-1 单片机引脚

1-8： I/OP1口（P1.0~P1.7）8位双向口线；

9：复位脚（RST/Vpd）；

10~17： I/OP3口（P3.0=RXD，P3.1=TXD，P3.2=-INT0，P3.3=-INT1，P3.4=T0，P3.5=T1，P3.6=-WR，P3.7=-RD）8位双向口线；

18、19：晶振（18=XTAL2，19=XTAL1）；

20: 地（Vss）；

21-28： I/OP2口（P2.0~P2.7) 8位双向口线；

29： -PSEN；

30： ALE/-PROG；

31： -EA/Vpp；

32-39： I/OP0口（P0.7~P0.0）8位双向口线；

40： +5V电源。